旱作农田种植碳排放主要因素及减排措施研究进展

何锦　曲丽　周翰舒　柏林　杜鹏　王振

摘要    农业生产是温室气体排放第二大排放源，降低农业生产的碳排放具有意义重大。本文梳理了种植生产过程中碳排放相关的文献，发现种植过程产生碳排放的主要因素之一是化肥的生产和使用。通过优化秸秆和肥料利用模式成为化肥减施和替代的重要途径，综合考虑了农田碳排放和土壤固碳，为进一步研究旱作农田减排措施提供参考。

关键词    旱作农田;土壤固碳;保护性耕作;生物质炭;减排措施

中图分类号    X71        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）09-0184-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    The agricultural production is the second biggest source of greenhouse gas，reducing the carbon emission from agricultural production is meaningful.The research analyzed the papers related to carbon emissions from agricultural production，revealed that the usage and processing of chemical fertilizers was the one of main factors inducing carbon emissions.The research considered，which could provide a reference for further exploration in carbon reduction in dry farmland，the function of soil sequestration and important approach by optimization of mode in utilizing crop straw as reduction and substation of chemical fertilizers.

Key words    dry farmland;soil sequestration;conservation tillage;biochar;emission reduction measure

化石能源的利用使得人類的生产形式和方式发生巨大改变，同时造成了诸多环境污染问题和气候变暖引发的环境问题等。联合国政府间气候变化专业委员会第五次评估报告中提及农业温室气体占全球温室气体排放总量的比重约为14%。国内学者有报道称农业生产目前是温室气体第二大排放源[1]。中国农业源温室气体排放的比例超过全国温室气体排放总量的15%，其中来自农业源的CH4和N2O排放比例分别为60%和90%[2]。因此，发展低碳型农业是减少碳排放的重要途径之一。本文通过总结前人对农业生产中碳排放关键因素的研究成果，聚焦于分析旱作农田的减排措施，为旱作农业低碳化发展提供参考。

1    农业主要碳排放源分析和减排思路

李明亮[3]运用数据模型的方法研究1998—2013年期间中国农业碳排放的4个影响因素发现，碳排放的比重大小依次为农业源、农业废弃物、农资隐含碳、农用能源，其中农业源碳排放的比例呈现降低趋势，但是超过1/2;另外，农业废弃物处置排放的比例呈现增加趋势。由此可知，除降低农业源的碳排放外，农业废弃物作为第二大碳排放源，对其进行资源化利用具有一定程度的减排潜力，农业生产系统物料循环的核心理念包含农业低碳化特征。韩笑[4]经过田间试验表明，作物生产间接排放占总排放的83%～94%，在农业减排中应重点关注化肥和电力的温室气体间接排放。赵子健等[5]分别在肥料管理、农药减量、农机节能3个方面研究农业的减排潜力发现，肥料管理的减排效果最明显，可以作为发展低碳农业的主要突破口。漆雁斌等[6]对农业总产值与机械总动力、化肥施用量、农作物播种面积进行回归分析后发现，化肥施用量对农业产值的影响较大。化肥生产和施用是造成农业生产过程中温室气体排放的重要因素之一，农业生产过程中的减排可以关注化肥减施和化肥替代相关措施和技术。

国务院发展研究中心应对气候变化课题组将自然碳汇列为技术和经济可行的低碳技术体系中。碳汇一词来源于《联合国气候变化框架公约》（UNFCOC），碳汇一般是指从大气中清除二氧化碳的过程、活动和机制。农业碳汇是指在农业生产过程中，将碳元素固定于土壤等载体上，降低空气中的碳浓度，农田碳汇是降低大气CO2浓度的有效途径之一[7]。增加农田土壤有机碳的固定不仅可以减少大气CO2浓度，还可以提升土壤有机质含量，土壤碳库的收支可以调节大气碳平衡，其在缓解温室气体排放等方面发挥了重要作用。因此，在考虑化肥的减施和化肥替代减排的同时，可以综合考虑农田土壤固碳能力和碳汇水平。化肥的减施和化肥替代可以统筹考虑土壤改良和土壤固碳等多个目标，可以通过应用作物秸秆还田、有机肥、生物质炭和生物质炭复合肥等措施实现替代化肥或者配合化肥减施增效的目的。

2    旱作农业减排措施

由于农田耕作方式和耕作环境等因素不同，温室气体产生[6，8-9]和排放[10-12]的机理相差较大。此外，由于我国旱作农田占比较大，研究旱作农田的减排对降低农业碳排放有重要意义。因此，本文主要探究旱地农田的减排措施，为进一步研究旱作农田种植减排措施试验设计和研究提供参考。陆地农田生态系统的碳库变化主要取决于土壤有机碳输入与输出的相对数量，土壤有机碳的生成量和分解量是直接影响土壤固碳量的重要因素，因而土壤有机质生成量和分解量的影响因素则为土壤固碳研究分析的对象。

土壤生物固碳过程一般是指植物将CO2通过光合作用转化到植物体中，待枯枝落叶和动物碎屑等进入土壤，在微生物、蚯蚓等生物的作用下形成腐殖质等产物，作为补充土壤有机质的来源。农业生产的耕作方式会影响枯枝落叶和动物碎屑等进入土壤的方式和数量，对土壤生物固碳产生一定程度的影响。此外，耕作方式也会引起土壤结构、透气性、土壤团聚体等变化，从而对土壤有机质的稳定产生影响[13]，进而影响土壤固碳的能力，故优化耕作方式可以作为土壤固碳的途径之一。

2.1    保护性耕作

保护性耕作是指种植系统在收获后至少使用30%的残落物覆盖农田土壤的耕作和种植制度[14];在农业行业标准NY/T 2190—2012中规定的机械化保护性耕作是指采用机械化作业的方式实施免耕播种、少耕播种、化学除草和病虫害防治，在满足播种农艺要求的条件下，确保播种后有足量的残茬覆盖地表并有效控制杂草生长和防治病虫害的耕作技术。保护性耕作可以通过免耕播种、少耕播种和秸秆还田的耕作方式增加外源性有机物输入的方式和降低农田土壤有机碳分解速率，以提高农田碳汇能力。

保护性耕作可提高土壤表层的固碳水平与降低农田增温潜势。张婧[15]在小麦与豌豆轮作定位试验中，将传统耕作（T）与免耕（NT）、传统耕作秸秆还田（TS）、免耕秸秆覆盖（NTS）等保护性耕作方式进行对比发现，以上3种方式均较传统耕作下0～80 cm土层的全氮和土壤有机碳含量高，但是在30～80 cm部分的全氮和土壤有机碳要低于传统耕作;NTS较NT和TS在0～30 cm土层的土壤有机碳含量高，但是T较NTS、NT、TS在30～80 cm土层的有机碳高。秸秆覆盖、免耕能有效提高0～30 cm土层的有机碳含量，但对深层土壤有机碳含量的提升效果不明显。吕锦慧[16]研究了传统耕作（T）、传统耕作结合秸秆还田（TS）、免耕不覆盖（NT）、免耕结合秸秆覆盖（NTS）4种耕作措施下小麦农田的综合增温潜势，依据减排效果排序为NTS>TS>NT>T。免耕结合秸秆还田覆盖的保护性耕作的减排效果更加明显。

秸秆还田方式配合化肥减施对减排效果有不同的影响。马小婷[17]通过设计冬小麦农田3种秸秆还田方式：秸秆不还田（CK）、秸秆与菌渣还田（MS）与秸秆直接还田（DS）配合3种不同的施氮量，共形成9个处理，结果发现，全部处理方式的农田增温潜势均为负值，具有碳汇作用，其中MS处理下的碳汇作用最明显。根据农田的实际生产情况和以上的研究成果，采用免耕結合秸秆配施菌渣等保护性耕作措施具有一定降低农田增温潜势的潜力。

垄作结合秸秆还田较平作结合秸秆还田的土壤固碳效果更佳。张  赛等[18]通过对比小麦农田中4种不同耕作方式发现，垄作结合秸秆覆盖耕作方式能显著提高农田生态系统的碳汇水平，与空白对照组相比能增加碳汇13.83%～49.82%。田效琴等[19]对比蚕豆的6种耕作方式，无论垄作还是平作，秸秆覆盖均较无秸秆覆盖更利于提高土壤总有机碳含量、颗粒有机碳和活性有机碳，但是垄作在0～20 cm土层间的土壤总有机碳（TOC）较平作高。

然而，也有研究报道称秸秆还田会增加农田温室气体排放。杨波[20]以长江中下游地区太湖流域的稻麦轮作某田为研究对象，通过试验得出秸秆还田配施氮肥虽然可以增加土壤固碳量，但是与单施化肥相比，秸秆还田后净温室效应（net GWP）和平均温室气体排放强度（GHGI）显著增加。同样地，顾泽海[21]以长江中下游地区小麦与水稻轮作试验田为研究对象，结果发现，在稻麦轮作系统中实施4种不同方式的周年小麦和水稻秸秆还田，虽然可以提高小麦产量，但是都较秸秆不还田的单位产量净增温潜势高。

2.2    优化肥料管理模式

2.2.1    秸秆制炭还田模式。增加外源性有机物输入的方式和降低农田土壤有机碳分解速率的方式可以影响土壤固碳量。外源性碳的持续输入和持续有效转化成土壤有机碳是影响土壤有机碳的生成量的重要影响因素之一，也是提高土壤固碳能力的重要途径之一。添加生物质炭可通过改变碳氮比、土壤通气性、土壤含水量等土壤理化性质，进而影响土壤微生物活性和土壤温室气体排放特性。有研究表明，土壤中的NH4+-N含量与土壤产生的N2O成正相关关系，是影响N2O的主要影响因素[22]。同时，生物质炭具有较高的阳离子交换量（CEC），也可能增加对NH4+-N和NO3-N的吸收，减少土壤微生物进行硝化和反硝化反应的底物，从而抑制土壤微生物的活性，降低土壤温室气体的排放。

有研究表明，相较于秸秆还田，生物质炭的施用不仅能改善土壤土质、增加土壤固碳量，还能降低仅秸秆还田处理下的CO2排放量。包建平等[23]通过在红壤旱地的田间试验发现，秸秆炭化之后还田较秸秆直接还田更有利于土壤形成稳定性碳库，虽然短期秸秆还田可以提高土壤活性有机碳，但是土壤总有机碳无明显提升，如果秸秆配施生物质炭，则能促进土壤总有机碳和惰性有机碳含量。王梦雅等[24]通过试验发现，生物质炭配合秸秆处理下土壤总有机碳显著高于单一秸秆处理，土壤活性有机碳含量明显高于单一生物质炭处理，而且CO2排放量明显低于单一秸秆还田处理。

生物质炭结合减氮施肥较秸秆结合氮肥减施在降低温室气体排放方面具有更大的潜力。韩继明等[25]对比研究了在旱地玉米和小麦轮作系统中，秸秆还田结合减施氮肥和生物质炭还田结合减施氮肥处理比秸秆还田配施全量化肥氮处理的温室气体排放强度分别降低了36.40%～40.48%和40.48%～53.50%。刘志伟等[26]在旱地和水田对比了无秸秆还田、秸秆直接还田和秸秆转化为生物质炭还田处理下土壤中有机碳的含量和全氮含量，2种秸秆还田方式都显著增加了土壤有机碳，其中生物质炭还田处理的土壤综合温室效应（GWP）比秸秆直接还田在旱地和水田分别低39.6%和28.8%。张  影等[27]通过在潮土和砂土上试验生物质炭和不同腐殖化的有机物料发现，单施秸秆和腐熟有机物料能明显提高土壤总有机碳，但是在相同的添加量下，生物质炭可以显著提升土壤有机碳含量，对土壤有机碳矿化无显著影响，与单施秸秆相比，秸秆制碳再还田更利于土壤固碳减排。

虽然秸秆制碳再还田更利于土壤固碳减排，但是生物质的使用量会影响农田减排效果，需要通过实地试验得出最佳施用生物质炭方案。刘先良等[22]通过田间试验发现，与不施用生物质炭相比，施用生物质炭可以显著降低农田的增温潜势（GWP）以及温室气体排放强度（GHGI），而且随着单位面积农田生物质炭施用量的增加，农田的增温潜势（GWP）以及温室气体排放强度（GHGI）呈现下降趋势。刘宏元等[28]在华北平原冬小麦—夏玉米轮作农田中试验4种不同剂量的生物质炭，结果表明，增加剂量可以更明显降低全球增温潜势和温室气体排放强度，增加作物产量。李晓[29]通过试验发现，高用量生物质炭的土壤与低用量的土壤相比，更能持续降低农田增温潜势和作物温室气体排放强度。周加顺等[30]通过在成都平原小麦与水稻轮作农田的试验发现，1次大量施用生物质炭可以显著降低施用后前2个水稻季农田的全球增温潜势，而且减排效果能维持5年。

生物质炭生产工艺和原料会影响土壤固碳和农田温室气体排放。赵世翔等[31]通过试验苹果枝条制备生物质炭发现，随着热解温度升高，生物质芳构化加强，碳稳定性进一步加强;在土壤输入生物质炭后发现，土壤易氧化有机碳比例随着热解温度的增加会降低，虽然能保持土壤有机碳含量，但是同时降低土壤有机碳活性。根据不同使用场合和土壤等情况，需要对生产生物质炭的工艺进行优化，以达到既能保持土壤有机碳又能保持土壤有机碳活性的目的。生物质炭原料和制作工艺的差异会影响其结构、C/N值和含碳量等理化性质，导致其有不同的使用功能和环境效益，因而还需要进一步关注生物质炭在低碳农业领域的应用和研究。

2.2.2    利用秸秆制作炭基复合肥。通常而言，由作物秸秆制成的生物质炭虽然含碳量高，但是矿物质养分低，需要与化肥配施或与秸秆还田结合，才能保证农田的土壤肥力和作物产量。生物质炭复合肥既有生物质炭对土壤改良和土壤固碳等优势，又可以满足作物生长所需的养分和微量元素。在NY/T 3041—2016中对生物质炭基肥料的定义是以生物质炭为基质，添加氮、磷、钾等养分中的一种或者几种，采用化学方法和物理方法混合制成的肥料。

生物质炭基复合肥比单施生物质炭更具备温室气体减排优势，更有实际应用价值。李晓[29]在山东棕壤上施用生物质炭和炭基肥的研究发现，施用炭基肥处理的玉米产量和氮肥利用率显著高于对照组，而且优于生物质炭;与空白对照相比，施用炭基肥能显著降低全球增温潜势（GWP）。生物质炭基复合肥替代化肥可以降低温室气体排放强度。舒常禄等[32]发现，与空白对照相比，施用化肥显著增加土壤N2O的排放，但是施用炭基肥的土壤N2O排放并无差异，当炭基肥施用量为600 kg/hm2和1 200 kg/hm2时，可以分别降低10.5%和13.8%的温室气体排放强度。李正东等[33]通过在小麦农田施用生物质炭复合肥的试验发现，相较于施用常规化肥，其能降低57.5%～66.9%的全球增温潜势（GWP）。

3    结论

本文在前人研究的基础上发现，化肥使用是造成旱作农田生产碳排放的关键因素之一，降低化肥使用对旱作农田生产低碳化有重要意义。因此，本文形成了化肥替代和化肥减施的旱作农田减排思路，以旱作农田生产的肥料施用种类和秸秆综合利用为主线，减排措施具体体现在以下3个方面：一是可以通过采用秸秆还田覆盖的保护性耕作增加农田土壤固碳能力和碳匯能力;二是降低农业种植活动本身温室气体的直接排放，通过减少甚至禁止作物秸秆焚烧等造成的排放，优化秸秆等农业废弃物的综合利用，例如秸秆制炭还田;三是减少间接排放，主要体现在降低农业生过程中对工业产品的依赖，如化肥、除草剂等投入品。

本文通过总结前人文献发现，肥料管理方式对碳减排效果从大到小的趋势依次为生物质炭基复合肥、生物质炭配合化肥减施、免耕秸秆还田覆盖、秸秆还田、传统农田施肥。另外，垄作结合秸秆还田较秸秆还田的碳减排效果明显。由于土壤的温室气体排放会受到土壤质地、土壤酸碱度、土壤含水量等土壤理化性质、作物品种、肥料施用量和肥料性质等因素的影响[28，31-35]，本文所引用文献中的结论是在不同试验的设计和试验地土壤土质等众多影响因素下的试验结果，所有以上分析的结论并不具有绝对性，但是上述分析结果可以为旱作农业在肥料管理对温室气体减排效果的研究提供试验方案的设计思路，具有一定的参考意义。

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